3D 뇌신경 모델링에 기반을 둔 경두개 직류자극시스템 해석

Abstract

본 논문은 경두개직류자극 시스템(transcranial direct current stimulation: tDCS)을 이용하여 두피에 직류 자극을 인가하였을 때 뇌에 미치는 전기적인 영향을 3차원 신경모델링에 기반을 두어 분석하였다. 본 논문에서는 임상에서 tDCS 시스템을 적용하기에 앞서, 다소 위험하다고 판단되었던 사례들을 중심으로 분석하여 안전성에 대해 논의하고 새로운 전극 시스템을 적용하여 tDCS 시스템의 자극 효율성을 높이고자 하였다. 따라서 tDCS 시스템을 임상에 적용함에 있어서 중요한 지침을 제공할 것으로 기대한다. tDCS에 의하여 뇌에 미치는 전기적인 영향을 분석한 선행 연구에서는 머리의 단면만 뇌 모델에 적용하거나 복잡한 머리 모델을 단순화한 뇌 모델을 전류밀도 분석에 적용하는 한계를 보였다. 본 논문에서는 좀 더 정확한 전류 밀도의 분포를 분석하기 위해 인체 구조의 해부학적 정보를 제공하는 자기공명영상(magnetic resonance imaging: MRI) voxel 데이터를 활용하여 실제 인체 모델과 유사한 3차원 모델을 만든 다음, 유한요소기법(finite element method: FEM)에 적용하여 tDCS에 의해 인체에 발생되는 전류 밀도의 분포를 계산하였다. 본 논문에서는 인체 MRI 데이터를 이용한 3차원(3D) 뇌신경 모델을 통해 아직까지 입증되지 않은 2 가지 사례에 대해 tDCS의 안전성을 검증해 보고자하며 마지막으로 자극 집중률을 높일 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 첫 번째 사례로는 두개골절제술(craniectomy)을 받은 환자에 tDCS 자극을 인가하는 사례로 이때 대뇌피질에서 발생하는 전류밀도를 분석하고 그 안전성을 고찰해 보고자 한다. 3차원 신경모델링에 기반을 둔 유한요소해석을 통해 두개골 절제 부위의 크기가 작으면 작을수록 두개골 절제 부위 아래 대뇌피질에서 발생하는 전류밀도는 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 두개골절제술 환자에게 tDCS를 안전하게 적용하기 위해서는 절제된 두개골 부위의 크기를 고려하여 인가하는 전류량을 낮추어야 할 것임을 판단할 수 있었다. 두 번째 사례는 두피를 벗어난 위치에 reference 전극을 부착(extracephalic reference 전극)하여 tDCS를 사용하는 경우로 이때 뇌간과 척수로 흐르는 전류에 의한 영향으로 이 부위에 발생하는 전류밀도가 뇌간과 척수를 자극하는 가에 대해 검증해보고자 한다. 유한요소해석을 통해 extracephalic reference 전극을 사용하였을 때 tDCS에 의해 척추와 뇌간에 생성되는 전류밀도는 두피에 reference 전극을 부착한 tDCS 경우보다 다소 높았으나 기존 문헌에서 제시한 값보다 높지는 않았기 때문에 안전하다고 판단할 수 있었다. 마지막으로 tDCS 자극의 정확도와 집중률을 높이기 위해 새로운 array-type tDCS 시스템을 제시하고 기존 시스템과 비교하여 이 시스템의 우수성을 입증해 보고자한다. 보편적인 tDCS 사용법은 자극하고자 하는 뇌 부위 주변에 양극 전극 1개를 부착하고 음극 전극은 양극 전극을 부착한 반대편에 부착하는 방식인데 광범위한 부위를 자극하는 단점이 있다. Array-type tDCS 시스템은 array 형식으로 배열되어 있는 전극들을 두피에 고정하고 각 전극에 최적 전류를 가하여 자극의 정확도와 집중률을 높이는 tDCS 전극 시스템이다. 3차원 뇌신경모델링에 기반을 둔 유한요소해석을 통해 자극하고자 하는 뇌 영역이 달라짐에 따라 전극의 위치를 옮기는 보편적인 tDCS 시스템보다 더욱 효율적이면서도 자극 집중률이 높은 것을 입증하였으며 array-type tDCS 시스템을 실제로 환자에게 적용할 때 임상적인 효과를 높일 수 있을 것으로 기대한다.